УДК 620.193
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОВЫШЕНИЯ КОМПЛЕКСА СВОЙСТВ И КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛИ1
© Зайцев Александр Иванович, д-р физ.-мат. наук, е-mail: aizaitsev@mtu-net.ru; Родионова Ирина Гавриловна, д-р техн. наук, е-mail: igrodi@mail.ru; Бакланова Ольга Николаевна, е-mail: baklanovao@yandex.ru; Крюкова Антонина Игоревна, е-mail: kryukovaai@gmail.com; Удод Кирилл Анатольевич, е-mail: kirilludod@chermet-cpmc.ru ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва Мишнев Петр Александрович, е-mail: pamishnev@severstal.com; Митрофанов Артем Викторович, е-mail: avmitrofanov@severstal.com ОАО «Северсталь». Россия, Вологодская обл., г. Череповец Статья поступила 09.09.2014 г.
Результаты детального исследования металла непрерывнолитых заготовок из низколегированных трубных сталей показали существенное различие его микро- и макроструктурного состояния, включая наличие и протяженность зон равноосных и столбчатых кристаллов, в зависимости от параметров последних стадий ковшовой обработки. Существенное различие зафиксировано и в показателях ударной вязкости, стойкости против водородного растрескивания, и в других служебных характеристиках полученного из разных заготовок проката. Установлено, что в результате присадки больших масс кремне- и марганецсодержащих ферросплавов на завершающих стадиях ковшовой обработки при этом или в процессе непрерывной разливки стали происходит образование жидких силикатных включений. Из-за высокого содержания кремнезема при кристаллизации стали такие включения переходят в переохлажденное жидкое или стеклообразное состояние и приобретают неправильную форму, заполняя пространство между растущими кристаллитами. Благодаря этому они эффективно снижают интенсивность массо- и теплопереноса при кристаллизации стали, блокируют развитие ликвационных процессов и способствуют повышению степени структурной и химической однородности металла. Вследствие этого имеет место увеличение в 2-2,5 раза ударной вязкости до предельно высоких значений (КСУ-40 более 400-420 Дж/см2), стойкости проката против водородного растрескивания.
Ключевые слова: конструкционные стали; непрерывнолитая заготовка; прокат; неметаллические включения; стекло; структура; химическая и структурная однородность; ликвация; ударная вязкость; служебные свойства.
В настоящее время имеет место все ускоряющийся рост требований по уровню и стабильности технологических, служебных свойств и качественных характеристик стального проката [1]. Очевидно, что характеристики холодно- и особенно горячекатаных сталей в определяющей степени зависят от качественных характеристик металла непрерывнолитых заготовок (НЛЗ), в том числе от интенсивности развития ликвационных явлений, возникающих химической, фазовой и структурной неоднородностей, различных дефектов. Общепринято представление, что присутствие в стали неметаллических включений (НВ) неизбежно приводит к ухудшению свойств металла НЛЗ и получаемого из них проката [2, 3]. Тем не менее результаты последних исследований, которым посвящена настоящая работа, свидетельствуют об
обратном, а именно, возможности существенного повышения как комплекса свойств, так и качественных характеристик НЛЗ и проката путем формирования определенной системы стеклообразных НВ на силикатной основе. Их присутствие препятствует развитию ликвационных процессов, способствует формированию благоприятной макро- и микроструктуры металла НЛЗ, резкому (кратному) повышению ряда механических и физико-химических свойств проката.
Первоначально это явление было зафиксировано в металле серии плавок стали К65, прокат из которых обладал стабильными и очень высокими значениями ударной вязкости: КСУ-40 более 400 Дж/см2 (обычно 200-300 Дж/см2). НЛЗ из металла этих плавок отличались от обычно получаемых более равномерной макроструктурой и бо-
1 В работе принимали участие И.В.Лясоцкий, Д.Л.Дьяконов, Т.И.Стрижакова, А.В.Амежнов, Н.Г.Шапошников, А.И.Ковалев,
Д.Л.Вайнштейн, А.Ю.Рашковский (ЦНИИчермет им. И.П.Бардина).
а
че
е»
9
Рис. 1. Макроструктура темплетов НЛЗ стали К65: а - плавка № 1; б - плавка № 2
Рис. 2. Микроструктура стали плавок № 1 и № 2 в разных зонах НЛЗ толщиной 315 мм, х50: а, д - осевая зона на расстоянии 157,5 мм от поверхности; б, е - промежуточная зона равноосных кристаллов на расстоянии 105 мм от поверхности; в, ж - промежуточная зона столбчатых кристаллов на расстоянии 52 мм от поверхности; г, з - зона, прилегающая к поверхности
лее дисперсным дендритным строением. Это видно из сравнения макроструктуры стали плавки № 1, для проката из которой КСУ-40 = 420-445 Дж/см2 и стали плавки № 2, прокат из которой характеризовался часто наблюдаемыми величинами КСУ-40 порядка 217-228 Дж/см2 (рис. 1). Макроструктура НЛЗ из стали плавки № 1 (см. рис. 1, а) состоит из кристаллитов малых размеров, равномерно распределенных по всему сечению темплета. Характерные для затвердевших слитков зоны столбчатых и равноосных кристаллов существенно не различаются. Для НЛЗ из металла плавки № 2 характерна классическая макроструктура слитка (см. рис. 1, б) с ярко выраженными зонами, включая прилегающую к поверхности зону мелких равноосных кристаллов, зону столбчатых кристаллов и осевую зону, в которой сосредоточены кристаллы малых размеров. Видно, что обычно наблюдаемая осевая пористость и рыхлость в большей степени выражена в НЛЗ из стали плавки № 2.
Различие макроструктуры исследованных темплетов послужило основанием для исследования микроструктуры НЛЗ (рис. 2).
Анализ микроструктурного состояния (см. рис. 2) показал, что металл НЛЗ из стали плавки № 1 имеет ферритно-пер-литную микроструктуру почти по всей толщине заготовки, при этом феррит -полигональный, не характерный для литого металла (см. рис. 2, а-в). Микроструктура металла НЛЗ из стали плавки № 2 представляет собой обычно наблюдаемый видманштеттов феррит, имеющий различную кристаллографическую ориентацию внутри разных исходных крупных аустенитных зерен (см. рис. 2, д-з). Эти данные свидетельствуют о том, что процесс кристаллизации стали плавки № 1 происходил более медленно по толщине заготовки, при этом охлаждение закристаллизовавшегося металла шло более медленно, что привело к образованию в структуре полигонального феррита во всех зонах объема заготовки, кроме прилегающей к поверхности. Здесь кроме полигонального феррита зафиксированы области феррита видманштеттовой ориентировки (см. рис. 2, г). Размер фер-
Таблица 1. Результаты определения твердости стали К65 в различных зонах НЛЗ
Спектр С Т1 Мп Ре №
1 22,95 2,32 0,00 3,31 71,41
2 12,89 1,67 1,51 41,98 41,95
Рис. 3. Внешний вид выделений субмикронных (а) и больших размеров (б) на основе карбида ниобия и титана, зафиксированных в пробе металла из осевой зоны НЛЗ плавки № 2
ритных зерен существенно меньше размера исходных аустенитных зерен и несколько уменьшается при удалении от поверхности заготовки. Очевидно, что исходная более мелкозернистая структура (полигональный феррит и перлит) при полном отсутствии вид-манштеттова феррита внутри исходных аусте-нитных зерен большого размера (особенно в зоне столбчатых кристаллов) более благоприятна для получения проката с мелкозернистой структурой, обеспечивающей высокую ударную вязкость. Следует отметить, что металл плавки № 2 в большей степени загрязнен коррозионно-активными неметаллическими
Номер плавки Образец Зона НЛЗ НУ
1 1 Столбчатые кристаллы 156,7
2 Осевая зона 155,8
1 Столбчатые кристаллы 154,9
2 2 Осевая зона 143,9
3 Столбчатые кристаллы 156,7
включениями первого типа (КАНВ 1, см. рис. 2, е, ж) на основе алюминатов кальция и/или магния [4].
В осевой зоне НЛЗ из стали плавки № 2, кроме того, зафиксировано повышенное содержание субмикронных (рис. 3, а), а также больших размеров (10 мкм и более - рис. 3, б) карбонитридных выделений, содержащих ниобий и титан, что также подтверждает большую степень развития ликвационных процессов при кристаллизации стали этой плавки.
Измерение твердости стали К65 в осевой зоне и зоне столбчатых кристаллов НЛЗ из металла плавок № 1 и № 2 (табл. 1) показывает, что для стали плавки № 2 имеет место снижение твердости в осевой зоне НЛЗ, что также свидетельствует о большем развитии ликвационных процессов, приводящих к большей рыхлости и пористости металла в осевой зоне. Для стали плавки № 1 твердость в осевой зоне не отличается от твердости в зоне столбчатых кристаллов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что процесс кристаллизации стали плавки № 1 протекал более медленно по толщине заготовки, при этом охлаждение закристаллизовавшегося металла происходило более медленно, что привело к образованию ферритно-перлитной структуры уже в литой заготовке.
Описанное явление наблюдали и для стали марки 13ХФА, в прокате из которой отсутствовали водородные трещины при испытаниях на стойкость против водородного растрескивания (ВР). НЛЗ из таких сталей характеризуется однородностью макроструктуры, дисперсностью дендритного строения, фер-ритно-перлитной микроструктурой, значительно меньшим уровнем развития ликвации.
Для понимания механизмов формирования благоприятной макро- и микроструктуры НЛЗ, а также влияния на указанные процессы технологических параметров производства первоначально был проведен сравнительный анализ технологических особенностей производства стали с благоприятной и неблагоприятной структурой НЛЗ. Было установлено, что для рассматриваемых плавок параметры непрерывной разливки заготовок практически не различаются. Основные различия параметров наблюдаются на стадии ввода материалов, содержащих кремний, мар-
Рис. 4. Неметаллические включения и выделения избыточных фаз, присутствующие в пробах металла от осевой зоны НЛЗ из металла плавок № 1 (а) и № 2 (б)
Рис. 5. Внешний вид НВ и выделений избыточных фаз в образце стали 13ХФА плавки № 1 (ПЭМ, темнопольное изображение в рефлексе), х150 000
ганец, алюминий и кальций, особенно на заключительной стадии ковшовой обработки. В некоторой степени с этими параметрами коррелирует химический состав стали, особенно содержание кремния, марганца и алюмин
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.